人體腸道系統(tǒng)（a）可被視作一系列活塞流反應(yīng)器（b），這是一種用于描述流動圓柱體系內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的模型。具有時間感知能力的微粒傳感器（c）在活塞流系統(tǒng)中移動，檢測被稱為分析物的目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)。圖片來源：馬寧等人，2025 年。部分圖片由 BioRender 軟件制作。

在合成化學(xué)物質(zhì)時，固定式傳感器能夠從反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)部收集并傳輸詳細(xì)數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)涉及繪制流經(jīng)難以觸及區(qū)域（尤其是狹長管道）的流體內(nèi)部的濃度分布圖時，物理安裝的傳感器便暴露出局限性。

在工業(yè)環(huán)境中，雖然傳感器可以安裝在反應(yīng)器周邊，但將傳感器置于管道中心會干擾流體流動。在醫(yī)療應(yīng)用場景中，比如通過繪制腸道內(nèi)化學(xué)物質(zhì)濃度分布圖來確定內(nèi)出血位置，植入式傳感器并不切實(shí)可行。

一種新框架優(yōu)化了對時間感知微粒傳感器（TAPS）的使用。這種微小的傳感器在系統(tǒng)中移動，并能記住何時遇到目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)，從而繪制這些未知區(qū)域的分布圖。

模擬結(jié)果表明，當(dāng)數(shù)千個此類傳感器被釋放后，它們能夠共同繪制出這些此前難以檢測的系統(tǒng)的完整濃度分布圖。這項(xiàng)由密歇根大學(xué)開展的研究發(fā)表在《美國化學(xué)工程師學(xué)會雜志》上。

“我們在此表明，即便每個傳感器僅具備基本功能，但憑借數(shù)量優(yōu)勢，它們協(xié)同起來就能完成一些原本極難做到的事。” 密歇根大學(xué)化學(xué)工程、高分子科學(xué)與工程以及材料科學(xué)與工程助理教授阿爾伯特・劉說道，他也是該研究的通訊作者。

這些微粒大小的傳感器直徑僅約 100 微米 —— 差不多相當(dāng)于一根人類頭發(fā)的寬度，足夠小，能夠懸浮在流體中而不會顯著擾亂流體的流動模式；同時又足夠大，可以通過過濾回收，以便進(jìn)行分析。

與傳統(tǒng)的基于集成電路的傳感器（本質(zhì)上就是縮小版的計算機(jī)）相比，傳感器的尺寸和簡易性也有助于降低成本。數(shù)百萬個這樣的傳感器可以在單個硅片上制造出來，硅片是一種直徑約 12 英寸或更小的圓盤。

這些傳感器使用一組憶阻器來記錄時間。憶阻器是一種利用電阻存儲信息的電子元件。當(dāng)憶阻器排列成并聯(lián)電路時，它們可以充當(dāng)模擬時鐘。計時器啟動后，階梯狀排列的憶阻器會按照已知的速率依次關(guān)閉。時鐘會一直計時，直到目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)觸發(fā)傳感器中的一個開關(guān)，計時器才會停止。

一旦傳感器被回收，關(guān)閉的憶阻器數(shù)量就表明自傳感器與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生相互作用以來過去了多長時間。

“這是一種將時間信息轉(zhuǎn)化為空間信息的簡單機(jī)制，” 劉教授說。

雖然憶阻器是本研究的主題，但該系統(tǒng)設(shè)計足夠?qū)挿�，能夠涵蓋任何對時間敏感的檢測方法。

模型發(fā)現(xiàn)，傳感器的性能受到多種因素的強(qiáng)烈影響，比如化學(xué)物質(zhì)的類型、濃度水平、系統(tǒng)大小以及通過系統(tǒng)所需的時間。

“我們的模擬結(jié)果清晰地表明，傳感器需要根據(jù)其所處環(huán)境進(jìn)行定制。每個系統(tǒng)都有其獨(dú)特的‘指紋’，這會改變所需傳感器的最佳數(shù)量以及用于檢測目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的傳感材料，” 密歇根大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)博士生、該研究的第一作者馬修・馬寧說道。

為應(yīng)對不同系統(tǒng)之間的差異，研究人員開發(fā)了一種優(yōu)化方案，以幫助工程師為每個獨(dú)特的系統(tǒng)設(shè)計出最佳的傳感器。

隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究團(tuán)隊希望能提高空間分辨率，從而了解化學(xué)物質(zhì)在三維空間中的濃度分布。目前，該方法能夠提供流體在管道中流動的時間分辨率，進(jìn)而生成管道內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的濃度分布圖。

部署數(shù)千個傳感器的框架確保了傳感器層面的微小改進(jìn)都能極大地提升化學(xué)物質(zhì)濃度測繪的效果。

總體而言，這些傳感器展現(xiàn)出涌現(xiàn)功能，從本質(zhì)上說，整個系統(tǒng)的能力遠(yuǎn)超其各部分能力之和。

研究人員還可以通過讓微粒之間相互通信，進(jìn)一步挖掘這些傳感器集體呈現(xiàn)出的涌現(xiàn)特性。

“在這項(xiàng)研究中，單個微粒之間尚未實(shí)現(xiàn)相互通信。許多涌現(xiàn)行為依賴于微粒間的通信。一旦實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這種基于分布式微粒的系統(tǒng)的非線性擴(kuò)展就能真正發(fā)揮作用，” 劉教授說。

更多信息：馬修李;馬寧等人，《通過計算能力有限的分布式傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時間分辨濃度分析》，《美國化學(xué)工程師學(xué)會雜志》（2024 年）。DOI：10.1002/aic.18691